Передающий комплекс связи системы связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами Российский патент 2023 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технике связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона, и может быть использовано для передачи сигналов на глубокопогруженные и удаленные объекты. Технический результат: существенное снижение размеров антенной системы и сокращение времени устранения неисправности антенны.

Известна система связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного (СНЧ-КНЧ) диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами (Патент РФ №2188439 от 27.08.2002 г.).

Унифицированный генераторно-измерительный комплекс крайне низких и сверхнизких частот содержащий п генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные, низко расположенные горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем регистрации излучения, создаваемого КНЧ-СНЧ генераторами осуществляется с помощью измерительного комплекса, состоящего из различных датчиков геофизических величин.

Наиболее близкой к заявленному устройству по технической сущности является «Передающий комплекс связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазонов с глубокопогруженными и удаленными объектами» (Патент РФ №2653110 от 07.05.2018 г).

Передающий комплекс связи содержит задающий генератор, представляющий собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока, генераторы, работающие в диапазоне 0,1-10 Гц, антенную систему, использующую линию электропередачи, и заземлители. В антенную систему, использующую линию электропередачи, дополнительно введены четыре заземленных проводника, размещенные с четырех сторон в непосредственной близости от вертикального заземленного конца антенной системы.

Недостатком, аналога и прототипа, является многокилометровый размер антенной системы, использующей 3-х фазную линию электропередачи (ЛЭП), и значительное время, требуемое для поиска и устранения неисправности ЛЭП.

Целью изобретения является снижение габаритов антенного устройства СНЧ-КНЧ диапазонов и сокращение времени, необходимого для ремонта антенны.

Поставленная цель достигается тем, что передающий комплекс связи системы связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами, содержащий задающий генератор, представляющий собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока, генераторы, работающие в диапазоне 0,1 - 10 Гц, отличающийся тем, что дополнительно введены три антенны-рамки и холодильная машина, причем, каждая из антенн-рамок подключена к одному из трех генераторов, при этом, проводники в антеннах-рамках изготовлены из медных трубок, по которым пропускается хладагент.

Блок-схема передающего комплекса системы связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами представлена на Фиг. 1.

Обозначения, принятые на Фиг. 1:

1- задающий генератор;

2- генераторы;

3- антенна - рамка;

4- холодильная машина;

Функционирование передающего комплекса связи. Как показано на Фиг. 1, нагрузкой каждого из 3-х генераторов является антенна-рамка. Как правило, антенны-рамки не используются в качестве передающих антенн из-за относительно больших потерь энергии в проводах антенны-рамки. В предлагаемом варианте снижение потерь в антенне должно быть обеспечено за счет использования хладагента холодильной машины [1. info@pvholod.ru], пропускаемого внутри медной трубки образующей антенну-рамку.

Сопряжение антенны-рамки с холодильной машиной представлено на Фиг. 2.

Обозначения, принятые на Фиг. 2:

5 - контактная клемма для подключения выхода генератора к антенне-рамке;

6 - блок сопряжения патрубка от холодильной машины с медной трубкой антенны-рамки, включающий патрубок из диэлектрика (например, фторопласта);

7- контактная клемма для заземления антенны-рамки;

8 - патрубки холодильной машины, подводящий и выводящий хладагент, охлаждающий медный проводник антенны-рамки;

Патрубок из диэлектрика в блоке 6 изолирует антенну-рамку от металлического трубопровода холодильной машины и пропускает хладагент в антенну-рамку.

Для расчета параметров антенн-рамок необходима оценка требуемого уровня излученной энергии. С этой целью определим требуемую напряженность магнитного поля, создаваемого антенной-рамкой, из условия равной напряженности магнитного поля Н_п, создаваемого антенной - прототипом.

В качестве примера расчета параметров антенны-рамки зададимся параметрами передающего комплекса связи прототипа:

- мощность передающего устройства Р_П=100 кВт.;

- размер антенной системы, использующей 3-х фазную линию электропередачи (ЛЭП), l=60 км;

- тип провода ЛЭП АС-95 с удельным активным сопротивлением при 20°С R₀=0,3 Ом/км [2.https;//linjaopory.ru/provod-as-95-16-diametr-sechenie-i-drugie-xarakteristiki/]. Из условия равенства мощности, рассеиваемой в каждом из 3-х проводов ЛЭП (~ 0,33 Р_П) определяется величина максимально тока I в каждом проводе. Это условие записывается следующим образом:

Рассчитанное значение тока в каждом проводе соответствует его максимальной величине и равно I=60,83 А. Поскольку противоположный конец провода заземлен при передаче информации, то его значение в точке заземления равно 0. Для рассматриваемого случая, когда длина волны на верхней рабочей частоте существенно больше длины излучателя (ближняя зона), ток в проводе убывает монотонно по закону l^-1 [3. Справочник по радиоэлектронике. Под ред. А.А. Куликовского. Т1. - М.: Энергия, 1967.] среднее значение тока в излучателе равно половине его максимального значения I_c=0,5I, т.е. I_c=30,415А. Рассчитаем напряженность магнитного поля, возбуждаемого током I_c в антенне-проводнике. Расчет произведем по известной формуле [4. В.В. Никольский, Т.И. Никольская Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Либроком, 2014.]:

где: r - расстояние от излучателя, принято равным 1 м;

θ=0,5 π - угол между осью провода-излучтеля и перпендикулярным к оси направлением.

Рассчитанное по формуле 2 значение напряженности магнитного поля составило H_m=1,452⋅10⁵ А/м.

Таким образом, каждая из антенн-рамок должна создавать напряженность магнитного поля не менее чем каждая антенна провод прототипа 1,452⋅10⁵ А/м.

По принципу построения антенна-рамка может быть уподоблена соленоиду. В этом случае величина напряженности магнитного поля Н одного витка соленоида рассчитывается по формуле [5. Справочник по физике. Формулы, таблицы, схемы. Под ред. X. Штекера. - М.: Техносфера, 2009, 1264 с.]:

где: к - число витков соленоида;

r_k - радиус витка, м;

I - ток в витке соленоида, А.

На основании формулы 3 построены графики зависимости тока в витке соленоида I_к от изменения количества витков к, при условии создаваемой соленоидом напряженности магнитного поля Н=1,452⋅10⁵ А/м, равной напряженности, создаваемой антенной проводом прототипа, и радиусах витков соленоида r_k=0,1 м (I1_к), r_к=0,2 м (I2_к) и r_k=0,4 м (I3_к).

Анализ графиков показал, что заданная напряженность магнитного поля антенны-рамки 1,452⋅10⁵А/м может быть обеспечена меньшим током и меньшим количеством витков при меньшем радиусе витка. По этой причине предпочтительнее выглядит вариант реализации соответствующий r_k=0,1 м (I1_к)- В этом случае ток в витках соленоида должен быть равен 300 А и число витков должно быть равным 100.

При известной мощности генератора, работающего на соленоид, равной 33,3 кВт, и известной величине тока равного 300 А, с помощью формулы 1. определим сопротивление нагрузки R_н=6,6 Ом. Общая длина проводника соленоида в этом случае равна l=к⋅2π r_k=62,8 м.

С целью определения параметров соленоида, определим требуемое погонное сопротивление проводника соленоида ρ_с=R_н/ l=0,105 Ом/м. Определим требуемую площадь поперечного сечения медного провода, которая обеспечит требуемое сопротивление 6,6 Ом, сравнив удельное сопротивление медного провода ρ_м=0,0175 Ом⋅мм²/м с погонным сопротивлением проводника соленоида ρ_с=0,105 Ом/м. Отношение ρ_с/ ρ_м=6, таким образом, определили, что при одинаковой длине медных проводов у одного сопротивление снизилось в 6 раз за счет увеличения в 6 раз площади поперечного сечения S проводника соленоида. Площадь погонного удельного сопротивления медного проводника 1 мм². Отсюда определяем площадь поперечного сопротивления провода соленоида S равной 6 мм². Далее учтем, что в середине проводника соленоида должно быть отверстие для прохождения хладагента. Примем радиус отверстия равным 0,02 м. В этом случае площадь меди в трубке-соленоиде определяется соотношением S=πr₁²-πr₂²=6 мм². Отсюда, при известных величинах S=6 мм² и r₂-1 мм², находим r₁=1,382 мм.

С учетом того, что в прототипе три провода, необходимо использовать три антенны-рамки, при этом токи в рамках должны быть однонаправлены.

Холодильная машина должна обеспечивать постоянство температуры медных трубок антенн-рамок на заданном уровне, например, не более 20°С.

Известно [6. https://ipmet.ru/udelnoe-soprotivlenie-medi-formula-dlya-vychisleniya], что при снижении температуры металлического проводника, в том числе и медного, на 1°С сопротивление металлических проводников на снижается на 0,4%. Например, снижение температуры с 20°С до 0°С позволит снизить сопротивление антенны-рамки на 8%, и одновременно увеличит величину тока и напряженность генерируемого магнитного поля, а также снизит потери энергии на нагрев проводников антенны-рамки.

Таким образом, реализуя модель построения антенны как антенну-рамку, обеспечивающую такую же напряженность ЭМП как и многокилометровая антенна прототипа, решается проблема существенного снижения габаритов антенного устройства СНЧ-КНЧ диапазонов и времени устранения неисправности антенны за счет возможности относительно быстрого восстановления антенны ее заменой на исправную по сравнению с необходимым временем восстановления антенны, использующей ЛЭП.

Использование: изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технике связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона, и может быть использовано для передачи сигналов на глубокопогруженные и удаленные объекты. Технический результат: снижение размеров антенной системы и сокращение времени устранения неисправности антенны. Сущность: передающий комплекс связи системы связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами, содержащий задающий генератор, представляющий собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока, генераторы, работающие в диапазоне 0,1-10 Гц, дополнительно содержит холодильную машину и три антенны-рамки, причем каждая из антенн-рамок подключена к одному из трех генераторов, при этом проводники в антеннах-рамках изготовлены из медных трубок, по которым пропускается хладагент. 2 ил.

Передающий комплекс связи системы связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами, содержащий задающий генератор, представляющий собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока, генераторы, работающие в диапазоне 0,1-10 Гц, отличающийся тем, что дополнительно введены холодильная машина и три антенны-рамки, причем каждая из антенн-рамок подключена к одному из трех генераторов, при этом проводники в антеннах-рамках изготовлены из медных трубок, по которым пропускается хладагент.